Анализ системы электроснабжения постоянного тока летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Харитонов Андрей Сергеевич

• Харитонов Андрей Сергеевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Харитонов Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Анализ систем электроснабжения летательных аппаратов

1.1 Классификация систем электроснабжения летательных аппаратов и режимы их работы

1.2 Основные требования к системам электроснабжения летательных аппаратов

1.3 Типовые структуры систем электроснабжения летательных аппаратов

Выводы по главе

Глава 2 Основные математические модели

2.1 Математическая модель синхронного генератора с комбинированным возбуждением при работе на активный выпрямитель напряжения

2.2 Математическая модель активного выпрямителя напряжения

2.3 Математическая модель ёе/ёе преобразователя

2.4 Математические модели нагрузок

2.5 Полная математическая модель системы

Выводы по главе

Глава 3 Алгоритмы управления системой электроснабжения постоянного тока на основе синхронного генератора с комбинированным возбуждением и активного выпрямителя напряжения

3.1 Принцип действия системы электроснабжения постоянного тока, режимы ее работы

3.2 Основные допущения, математическое описание системы

3.3 Количественная оценка электрических параметров системы электроснабжения постоянного тока

3.4 Параметрические законы управления синхронным генератором с комбинированным возбуждением

3.5 Сравнение основных характеристик и параметров трех способов параметрического управления синхронным генератором с комбинированным возбуждением

3.6 Управление синхронным генератором с комбинированным возбуждением и активным выпрямителем напряжения с нулевым значением реактивного тока генератора

3.7 Управление явнополюсным синхронным генератором с комбинированным

возбуждением и активным выпрямителем напряжения

Выводы по главе

Глава 4 Модельный и физический эксперименты

4.1 Система автоматического регулирования активным выпрямителем напряжения на основе принципов подчиненного регулирования с последовательной коррекцией

4.2 Результаты модельного эксперимента

4.3 Результаты физического эксперимента

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Документы о внедрении результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ системы электроснабжения постоянного тока летательных аппаратов»

Актуальность работы.

Среди всех способов преобразования первичной механической энергии в электрическую преобразование с помощью электрических машин реализуется с наибольшей эффективностью. При этом электроэнергия постоянного и переменного тока может быть получена в достаточно большом диапазоне мощностей и напряжений. Это обстоятельство предопределило широкое применение электрогенераторов (далее генераторов) в качестве бортовых источников электроэнергии на летательных аппаратах (ЛА) различного назначения. Генераторы являются основными (магистральными) и резервными источниками электроэнергии в энергетических установках самолётов и вертолётов любой размерности и назначения. Они также применяются на большинстве беспилотных летательных аппаратах (БЛА) и на некоторых типах ракет [1].

Как правило, все современные пилотируемые ЛА и отдельные типы БЛА имеют первичные системы электроснабжения (СЭС), построенные на базе генераторов [2]. В таких СЭС генераторы приводятся во вращение маршевыми двигателями ЛА непосредственно или с помощью привода постоянной частоты вращения как в самолёте, или же редуктором несущего винта как в вертолёте. Электрический генератор является важной составляющей первичной СЭС ЛА и к нему предъявляется ряд особых требований, к основным из них можно отнести ниже следующие.

Высокая надёжность, применительно к генераторам это требование сводится к исключению контактных способов передачи электрической мощности. Согласно современной статистике 80 % неисправностей генераторов связано с наличием у них контактных токопередающих частей типа щетка - коллектор или щетка - кольцо. С повышением высоты полета и частоты вращения вала надежность работы таких контактных пар резко снижается.

Внутренние параметры генератора и качество вырабатываемой электроэнергии, это требование определено нормативными документами и обеспечивается комплексом мер, включающим: выбором соответствующих значений па-

раметров генератора на стадиях проектирования и изготовления; применение конструктивных способов устранения высших гармонических из кривых изменения потокосцепления обмоток якоря; применение соответствующей регулирующей аппаратуры, которая может эффективно использоваться только при условии регулируемости генератора.

Регулируемость, при полете ЛА в зависимости от режима работы его силовой установки и этапа выполнения полетного задания частота вращения вала авиационного двигателя, и количество работающих бортовых приемников электроэнергии могут меняться в достаточно широких пределах. Эти обстоятельства вызывают изменение напряжения в сети, для стабилизации которого при наличии указанных возмущающих воздействий должна обеспечиваться возможность изменения в широком диапазоне магнитного потока в рабочем воздушном зазоре генератора. При этом для получения заданного быстродействия системы регулирования напряжения постоянную времени цепи возбуждения необходимо свести к минимуму [3].

Анализ развития авиационной техники показывает, что идет постоянное увеличение числа и мощности приемников электрической энергии на ЛА, растет протяженность электрических сетей, а также увеличивается их интеграция с бортовыми цифровыми управляющими системами [4, 5]. Суммарная доля электрооборудования на борту неуклонно растет, и это можно сказать практически о любом типе ЛА [6, 7]. Это значит, что нагрузка на СЭС ЛА будет только возрастать, а значит, будут возрастать и требования, предъявляемые к ним [8].

Для того, чтобы соответствовать этим все более возрастающим требованиям, необходимо применять новые конструкционные материалы, нетрадиционные конструкторские решения и новые подходы к проектированию, как самих электромеханических генераторов, так и систем управления ими [9, 10].

Последние десятилетия основные тенденции в развитии авиационных систем электроснабжения определяются реализацией концепции «Более Электрического Самолёта» - «БЭС» [11 - 26]. Основными из них являются:

1. Повышение мощности каналов генерирования, максимальное значение мощности СЭС ЛА на дальне магистральных самолётах может достигать единиц МВт [26, 27, 28];

2. Стремление совмещать в одном агрегате различные функции, например, режимы генерирования электроэнергии и электростартерного запуска авиационных двигателей;

3. Переход на более высокое значение величин напряжений [29 - 32];

4. Отказ от системы стабилизации оборотов;

5. Использование в системах генерирования переменного тока переменной частоты.

Степень разработанности темы исследования.

Разработке бортовых систем электроснабжения для БЭС посвящено достаточно много известных работ таких научных школ как МАИ, МЭИ, НГТУ, УГА-ТУ, МГТУ ГА, ТПУ, АО «АКБ Якорь», АО «Технодинамика», АО «Аэроэлектро-маш» направленных на создание теоретических основ построения систем электроснабжения, методов анализа и синтеза силовых схем, систем и алгоритмов управления. Различные аспекты теоретического и практического плана построения систем электроснабжения и отдельных её элементов для автономных объектов нашли отражение в трудах В.Г. Андреева, И.И. Алексеева, Н.И. Бородина, Г.В. Грабовецкого, А.Г. Гарганеева, А.О. Давидова, Б.С. Зечихина, Г.С. Зиновьева, Ю.М. Инькова, В.В. Иванцова, Ф.Р. Исмагилова, В.А. Калия, Д.Л. Калужского, К.Л. Ковалева, Ю.И. Конева, С.Ф. Коняхина, Д.В. Коробкова, Н.Н. Лаптева, А.В. Левина, И.И. Лукина, С.М. Мусина, Г.С. Мыцыка, И.В. Нежданова, С.П. Халюти-на, С.А. Харитонова, В.А. Цишевского, Е.Е. Чаплыгина, М.М. Юхнина, Э.М. Че-хета и многих других.

По данным исследований реализация концепции БЭС применительно к среднемагистральному самолёту позволит получить:

1. снижение потребления топлива - 8-12 %;

2. снижение полной взлётной массы - 6-10 %;

3. снижение прямых эксплуатационных расходов - 5-10 %;

4. снижение стоимости жизненного цикла - 3-5 %;

5. увеличение среднего налёта на отказ - 5-6 %;

6. снижение времени технического обслуживания - 4-4,5 %.

Достижение указанной эффективности БЭС сопряжено с создание перспективных систем электроснабжения, удовлетворяющим всем вышеуказанным тенденциям.

Применение электрической тяги на самолётах предоставляет новые возможности, связанные, в первую очередь со свойствами электрических машин (обратимость, высокий коэффициент полезного действия). Суммарные мощности силовых установок в зависимости от количества пассажиров находятся в диапазоне от 0,5 до 60 МВт. При этом ключевым элементом самолёта, к разработке которого стремятся большинство производителей, становится электрическая машина мощностью 1 МВт как базовый «кирпичик» при создании систем с распределённой тягой.

На смену трехкаскадным синхронным генераторам, в качестве электрического генератора на борту ЛА приходят синхронные генераторы с комбинированным возбуждением (СГК). Рабочий магнитный поток в таком генераторе создается от двух источников магнитодвижущей силы (МДС) - постоянного магнита и обмотки возбуждения. Основная (как правило, большая) часть рабочего магнитного потока создается постоянными магнитами, обмоткой возбуждения создается дополнительная (как правило, меньшая) часть потока, чем обеспечивается изменение суммарного потока и регулирование в определенном диапазоне выходного напряжения генератора.

Преимуществами СГК являются:

1. высокая надежность в работе, относительная простота конструкции и обслуживания благодаря отсутствию скользящих контактов и щеток;

2. высокий коэффициент полезного действия и меньший нагрев машины благодаря отсутствию потерь в скользящем контакте;

3. регулируемость, возможность обеспечить независимость величины магнитного потока в воздушном зазоре от скорости вращения и температуры машины;

4. отсутствие искровых контактов, вызывающих радиопомехи;

5. снижение стоимости, веса и габаритов благодаря отсутствию скользящих контактов у высокочастотных машин и машин малой мощности.

К недостаткам СГК можно отнести:

1. повышение стоимости, веса и габаритов машин средней мощности;

2. относительно низкий предел наибольшей мощности машины. В основном, СГК проектируются на мощность до 100кВА.

Применение СГК как элемента электрооборудования существенно повышает надежность СЭС ЛА в целом, так как полностью исключается контактный способ передачи электрической мощности [33].

Кроме того, начало промышленного освоения магнитов на основе интерметаллических соединений редкоземельных материалов, таких как самарий, лантан, празеодим позволяет существенно сократить массу и габариты СГК, так как магнитные характеристики этих материалов значительно лучше, чем у ранее использовавшихся сплавов Alnico или ферритов. По данным из открытых источников, удельная масса СГК с постоянными магнитами из редкоземельных материалов может составлять 0,3-0,1 кг/кВт [34].

На сегодняшний день СГК применяются на борту самолетов для питания магистральных сетей переменного тока. Отечественною промышленностью разработаны генераторы СГК-30/1,5 и СГК-30М, используемые в качестве магистральных в смешанных СЭС на борту ряда модификаций многорежимных самолетов, таких как МиГ-23, МиГ-27 и Су-24 [35].

Появились полностью управляемые полупроводниковые приборы, обладающие уникальными характеристиками, это силовые полевые транзисторы (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Их применение резко увеличило мощность, значительно уменьшило массогабарит-ные показатели и цену полупроводниковых преобразователей (ПП), разрабатыва-

емых на их основе [36]. Что в итоге привело к появлению новых схемотехнических решений в области силовой электроники.

Все это в целом даёт возможность создавать совершенные, обладающие новыми полезными качествами энергоэффективные СЭС для ЛА.

В последние годы в связи с реализацией концепции «более электрического самолёта», появились новые тенденции в построении систем электроснабжения для летательных аппаратов, особенно это характерно для средне- и дальне-магистральных самолётов.

С ростом мощности каналов генерирования при построении СЭС переменного и постоянного тока появились ЛА с повышенной величиной напряжения, 220В для систем переменного тока и 270В для систем постоянного тока. По этой же причине, а также потому, что значительная часть генерируемой электрической энергии на борту ЛА преобразуется по величине и частоте, наметился отказ от использования привода постоянных оборотов. В этом случае системы переменного тока проектируются с переменной частотой выходного напряжения.

Так при разработке СЭС как постоянного, так и переменного тока, очевидно стремление разработчиков объединить в одном агрегате канал генерирования и устройство электрического запуска первичного двигателя, что объясняется известным свойством электрических машин.

В диссертационной работе рассмотрен вариант построения системы электроснабжения постоянного тока, отвечающей по структуре построения и реализуемым функциям всем современным тенденциям [37, 38].

Рассмотрению подлежит вариант построения системы электроснабжения постоянного тока (СЭС ПТ) летательных аппаратов с выходным напряжением (27^270В), на базе синхронного генератора с комбинированным возбуждением и полупроводниковых преобразователей (1111) электрической энергии. Анализ системы и все результаты исследований получены для переменной частоты вращения вала синхронного генератора [39].

При выборе такой структуры обязательным условием полагалась возможность обеспечения электростартерного запуска первичного двигателя с помощью СЭС ПТ от источника постоянного тока.

В состав исследуемой СЭС ПТ входят СГК и два полупроводниковых преобразователя (Рисунок В.1). СГК осуществляет преобразование механической энергии вращающегося с переменной частотой вала (п = уаг) в электрическую энергию переменного тока. Первый полупроводниковый преобразователь (ПП1) является dc/dc преобразователем и осуществляет функцию регулирования тока возбуждения СГК с целью стабилизации выходного напряжения СЭС ПТ или СГК и имеет относительно небольшую мощность. Второй полупроводниковый преобразователь (11112 ) построен на базе инвертора напряжения (ИН) с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в режиме генерирования системы он выполняет функцию активного выпрямителя напряжения (АВН) и обеспечивает качественные характеристики генерируемого постоянного напряжения, уменьшает перетоки неактивной мощности между СГК и ИН. В режиме электро-стартерного запуска ИН преобразует напряжение постоянного тока, например, аккумуляторной батареи в напряжение переменного тока и обеспечивает перевод СГК в двигательный режим.

Рисунок В.1 - Структурная схема СЭС ПТ

Таким образом, в рассмотренной системе возможны два канала регулирования потока мощности, отбираемой от СГК. Управление возбуждением СГК в функции стабилизации напряжения самого генератора и (или) выходного напряжения системы, а также управление АВН в функции стабилизации выходного напряжения СЭС ПТ и регулирование реактивной мощности, отбираемой от генератора.

Необходимо отметить, что данная система может быть элементом системы электроснабжения переменного тока, построенной по типу «Переменная Скорость - Постоянная Частота» (ПСПЧ). В этом случае к зажимам постоянного тока подключается трёхфазный инвертор напряжения. В такой структуре сохраняется также возможность режима электростартерного запуска, причём как от источников постоянного тока, так и от источников переменного тока.

Данная СЭС ПТ обладает универсальной структурой и может служить элементом множества функционально различных систем электропитания автономных объектов. При этом базовым режимом в любом применении является режим генерирования постоянного напряжения, исследованию которого посвящена настоящая работа.

В дополнение к сказанному, данная структура как система электроснабжения постоянного тока обладает следующими преимуществами:

1. форма тока генератора близка к синусоидальной;

2. роль продольного элемента силового фильтра выполняют реактансы генератора;

3. силовая схема обладает возможностью повышения выходного напряжения постоянного тока по сравнению с неуправляемым выпрямителем (НВ);

4. благодаря изменению направления потока мощности в системе возможен режим электростартерного запуска первичного двигателя [40, 41, 42];

5. при наличии высокочастотной широтно-импульсной модуляции значительно уменьшается величина ёмкости конденсатора выходного фильтра,

улучшаются динамические параметры системы при импульсной динамической нагрузке [43, 44];

6. благодаря применению СГК при переменной частоте вращения вала не повышаются требования по допустимому напряжению элементов АВН.

Цель работы. Целью работы является решение важной научно-технической проблемы исследования перспективной системы электроснабжения постоянного тока летательных аппаратов на базе синхронного генератора с комбинированным возбуждением, анализ способов выбора параметров и разработка энергоэффективных алгоритмов управления синхронным генератором и полупроводниковыми преобразователями электрической энергии.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. разработка математической модели СЭС ПТ на основе СГК и АВН;

2. разработка способов выбора параметров СГК в СЭС ПТ при переменной частоте вращения вала СГК;

3. синтез алгоритмов управления СГК и АВН, обеспечивающих минимизацию перетоков неактивной мощности между СГК и АВН и заданную величину выходного напряжения;

4. анализ электромагнитных процессов в системе СЭС ПТ в установившемся режиме, определение оптимального способа выбора параметров;

5. проведение модельного эксперимента работы СЭС ПТ;

6. разработка физического макета и проведение экспериментальных исследований СЭС ПТ.

Методы исследования. Для получения основных результатов диссертационной работы использованы базовые методы анализа теории электрических цепей, методы аналитического и численного решения линейных дифференциальных уравнений и модельный эксперимент в пакете прикладных программ. Также, в работе применяются Фурье преобразование, матричное исчисление, различные разделы линейной алгебры и математического анализа. Экспериментальные исследования проводятся путём физического макетирования.

Достоверность. Достоверность полученных результатов подтверждается корректной постановкой задач, адекватностью применения математического аппарата, результатами модельного и физического экспериментов.

Научная новизна состоит в следующем:

1. В разработке математической модели СЭС ПТ на базе СГК с переменной частотой вращения вала и АВН, учитывающей основные параметры генератора и полупроводникового преобразователя.

2. Предложены и исследованы способы выбора параметров СГК с переменной частотой вращения вала в составе СЭС ПТ для ЛА. Аналитически определены базовые параметры генератора при работе с АВН в составе СЭС ПТ

3. Предложены алгоритмы управления СГК и АВН, обеспечивающие минимизацию перетоков неактивной мощности между генератором и инвертором напряжения и заданную величину выходного напряжения.

4. В результатах проведённого анализа электромагнитных процессов в системе СЭС ПТ при использовании предложенных способов выбора параметров СГК и алгоритмов управления.

Практическая ценность работы:

1. Предложена структура СЭС ПТ ЛА на основе СГК с переменной частотой вращения вала и АВН, обеспечивающая режим генерирования постоянного тока и электростартерный запуск от электрической сети постоянного тока.

2. Определены базовые параметры СГК при работе с АВН в составе СЭС ПТ при переменной частоте вращения вала генератора.

3. Предложены алгоритмы управления СГК и АВН в составе системы электроснабжения постоянного тока для ЛА при переменной частоте вращения вала генератора.

4. Определён способ выбора параметров СГК и алгоритмы управления СЭС ПТ, минимизирующие перетоки неактивной мощности между СГК и АВН и массогабаритные показатели СГК.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. математическая модель СЭС ПТ на основе СГК с переменной частотой вращения вала и АВН, учитывающая основные параметры генератора и полупроводникового преобразователя;

2. варианты выбора параметров СЭС ПТ и результаты расчета основных параметров СГК при переменной частоте вращения вала и работе на АВН;

3. результаты анализа электромагнитных процессов в СЭС ПТ при переменной частоте вращения вала генератора;

4. энергоэффективные алгоритмы управления СЭС ПТ при широком диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения вала генератора.

Апробация работы. Основные результаты доложены, обсуждены и

одобрены на следующих научных семинарах и конференциях:

1. Международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП», Новосибирск, НГТУ, 2018 г.;

2. Международная конференция молодых специалистов по микро/нано технологиям и электронным приборам «EDM», Новосибирск, НГТУ, 2018 г.;

3. Международная Уральская конференция «Электропривод переменного тока ACED», Екатеринбург, 2018 г.;

4. Научные чтения по авиации, посвящённые памяти Н. Е. Жуковского, Москва, 2018 г.;

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, из них, 2 работы в печатных изданиях ВАК, 3 работы в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.

Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве с коллегами, заключается в участии в постановке задач исследований, разработке структурного варианта и математической модели СЭС ПТ для ЛА, аналитических и численных расчётах электромагнитной системы СГК, анализе вариантов параметрического способа управления возбуждением СГК и выбора параметров электро-

магнитной системы генератора, проведении имитационного моделирования работы системы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 208 страниц, в том числе 144 рисунка, 4 таблицы. Список литературы содержит 78 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ

АППАРАТОВ

В этой главе диссертационной работы проведён анализ СЭС ЛА, основных требований, предъявляемых к их работе. Рассмотрены типовые структурные схемы авиационных СЭС.

Проанализированы основные достоинства и недостатки существующих СЭС ЛА, определены направления исследований диссертационной работы.

1.1 Классификация систем электроснабжения летательных аппаратов и

режимы их работы

В совокупности, источники и преобразователи электрической энергии с регулирующей, защитной и контрольной аппаратурой вместе с системой передачи и распределения электроэнергии образуют систему электроснабжения летательного аппарата [45].

В настоящее время существует большое количество типов ЛА с многообразием выполняемых ими функций, и что особенно важно, их условия эксплуатации могут существенно различаться. Это, и ряд других факторов не позволяет создать единую и оптимальную для всех типов ЛА СЭС.

Существует много типов СЭС применение, которых в проектируемых ЛА определяется назначением такового, его установленной мощностью и циклограммой бортовых нагрузок, количества и мощности приёмников, требований к качеству электроэнергии.

Все бортовые СЭС могут быть классифицированы по следующим признакам:

• назначению;

• роду тока;

• напряжению;

• частоте;

• отношению к источникам энергии;

• составу источников;

• количеству каналов;

По своему назначению все СЭС ЛА могут быть подразделены на основные, вспомогательные (резервные), аварийные и специальные.

Основная СЭС предназначена для электропитания всех приёмников в течение всего времени полёта.

Вспомогательная СЭС обеспечивает питание ограниченного количества приёмников в наземных условиях при неработающей силовой установке, а, следовательно, и основной системе электропитания или выполняет функции аварийного электроснабжения в полете при полной или частичной потере питания от основной СЭС.

Аварийная СЭС осуществляет электропитание в полете ограниченного количества жизненно важных приёмников при полной потере электроснабжения от основной или вспомогательной, если она предусмотрена на ЛА системы.

Специальная СЭС обеспечивает электроэнергией только один определенный объект (систему противообледенения винта, специальную аппаратуру, САУ двигательной установки). Она может работать автономно от основной и совместно с ней.

Каждая из перечисленных систем, кроме специальной, состоит, как правило, из двух, а иногда и более подсистем, связанных между собой через преобразующие устройства и различающихся параметрами электроэнергии (род тока, количество фаз, уровень напряжения и частоты, точность регулирования напряжения и частоты, уровень пульсаций).

По роду тока различают СЭС постоянного и переменного тока, а по напряжению - СЭС низкого и высокого напряжения. Системы переменного тока различаются по частоте - системы постоянной частоты и системы переменной (плавающей).

В настоящее время на ЛА используется электроэнергия следующих параметров:

• постоянного тока низкого (27 В) и высокого (270 В) напряжения;

• переменного трехфазного или однофазного тока переменной частоты с различными значениями номинального напряжения;

• переменного трехфазного или однофазного тока постоянной частоты с различными значениями номинального напряжения;

По типу энергии, подвергаемой преобразованию СЭС ЛА делятся на первичные, вторичные и третичные.

В первичной СЭС осуществляется преобразование первичной (механической, химической, тепловой, гидравлической, солнечной) энергии в электрическую. Авиационная первичная вспомогательная (резервная) СЭС состоит из генератора вспомогательной силовой установки (ВСУ) со своей аппаратурой и сетью. Первичная аварийная СЭС включает в свой состав аккумуляторную батарею с соответствующей аппаратурой и сетью или генератор, приводимый во вращение турбиной (ветрянкой), выдвигаемой в набегающий поток воздуха.

Вторичная (третичная) СЭС преобразует электроэнергию первичной (вторичной) СЭС в электроэнергию другого рода тока, напряжения или частоты. Эти системы применяются не только в основных, но и вспомогательных и аварийных СЭС.

На современных отечественных самолётах и вертолётах используются следующие первичные СЭС:

• трехфазного переменного тока постоянной частоты (400 Гц) и повышенного напряжения (Пл/ Пф = 200/115 В);

• постоянного тока низкого напряжения (27 В);

• трехфазного переменного тока переменной частоты;

Применяемые вторичные СЭС включают системы:

• однофазного переменного тока постоянной частоты (400 Гц) повышенного напряжения (115 В);

• трехфазного переменного тока постоянной частоты (400 Гц) пониженного напряжения (36 В);

• трехфазного переменного тока постоянной частоты (400 Гц) повышенного напряжения (208 В);

• постоянного тока пониженного напряжения (27 В);

Практически используемая третичная СЭС включает системы:

• однофазного переменного тока постоянной частоты (400 Гц) повышенного напряжения (115 В);

• трехфазного переменного тока постоянной частоты (400 Гц) пониженного напряжения (36 В);

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Харитонов Андрей Сергеевич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грузков С.А., Морозов В.А., Нагайцев В.И., Останин С.Ю., Румянцев М.Ю., Соломин А.Н., Тарасов В.Н., Тыричев П.А. Электрооборудование летательных аппаратов. Т. 1 Системы электроснабжения летательных аппаратов. М.: Издательство МЭИ, 2005. - 568с.: ил.

2. А.В. Лёвин, И.И. Алексеев, С.А. Харитонов, Л.К. Ковалёв. Электрический самолёт: от идеи до реализации/ Монография/ // М.: Машиностроение, 2010. - 288с. с табл. и ил. Тираж 500.

3. Грузков С.А., Морозов В.А., Нагайцев В.И., Останин С.Ю., Румянцев М.Ю., Соломин А.Н., Тарасов В.Н., Тыричев П.А. Электрооборудование летательных аппаратов. Т. 1 Системы электроснабжения летательных аппаратов. М.: Издательство МЭИ, 2005. - 568с.: ил.

4. Бедина Н. В., Золотухин Ю. Н., Лившиц Э. Я., Юхнин М. М. Моделирование неисправностей и диагностика в системе генерирования электрической энергии. // Техническая электродинамика. Тематический выпуск. Силовая электроника и энергоэффективность. Часть 1. Киев, 2007. С. 19-22.

5. Халютин С. П., Мусин С. М., Левин А. В., Жмуров Б. В. Энергосистема гибридных самолетов авиации общего назначения / Национальный институт авиационных технологий. Журнал «Авиационная промышленность», Москва, 2017, № 1, С.42 - 51.

6. Халютин С. П., Давидов А. О., Жмуров Б. В. Электрические и гибридные самолеты: перспективы создания / «Национальный исследовательский университет «МЭИ», «Электричество», Москва, 2017, № 9, С. 4 - 16.

7. Makarov D. V., Korobkov D. V., Bachurin P. A., Geist A. V., Volkov A. G., Shtein D. A. // Analysis of coupled inductors in AC variable frequency generation system / 14 International conference of young specialists on mi-cro/nanotechnologies and electron devices (EDM 2013), Altai, Erlagol, 1 - July 2013. - Novosibirsk. NSTU, 2013. - P. 310 - 314.

8. А. В. Лёвин, С. М. Мусин, С. А. Харитонов, К. Л. Ковалев, А. А. Герасин, С. П. Халютин; Электрический самолет: концепция и технологии [Электронный ресурс] / Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ); под ред. — Уфа: УГАТУ, 2014.

9 Д. В. Макаров, С. А. Харитонов, М.М. Юхнин. Исследование системы генерирования переменной частоты постоянной амплитуды на базе магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя // Техническая электродинамика. -№ 3 май-июнь. - Киев, 2012. - С.65-66.

10. Золотухин Ю. Н., Бедина Н. В. Уточнение методики расчета вероятности отказов для схем с нагруженным резервированием на примере авиационной системы генерирования. // Техническая электродинамика. Тематический выпуск. Силовая электроника и энергоэффективность. Часть 1. Киев, 2009. С.24-26.

11. Лёвин А.В., Халютин С.П., Жмуров Б.В. Тенденции и перспективы развития авиационного электрооборудования. Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2015. № 213 (3). С. 50-57.

12. Грузков С.А., Румянцев М.Ю. Полная электрификация самолетов как один из важнейших путей решения экологических проблем и повышения эксплуатационной экономической и топливно-энергетической эффективности воздушного транспорта. Известия Академии электротехнических наук РФ. 2016. Выпуск 18. С. 35-60.

13. Халютин С.П., Харьков В.П., Лёвин А.В., Жмуров Б.В., Богданов А.А. Электрификация самолётов. Современное состояние и тенденции Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2014. № 1. С. 555-558.

14. Халютин С.П. К оценке объёма энергии для полностью электрического самолета. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 85-87.

15. Халютин С.П. Электрический самолёт. Системный подход. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2015. № 3. С. 72-76.

16. Богданов А.А., Халютин С.П., Харьков В.П. Анализ путей рекуперации электрической энергии на борту летательного аппарата. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2014. № 2. С. 208-212.

17. Халютина О.С. Особенности формирования момента рулевого привода системы управления электрическим самолётом. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2016. № 4. С. 249-251.

18. Давидов А.О., Жмуров Б.В. Метод диагностики авиационных электрохимических аккумуляторных батарей. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 2. С. 78-80.

19. Халютина О.С., Харьков В.П., Халютин С.П. Электромеханический рулевой привод системы управления электрического самолёта с режимом рекуперации как объект управления. Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. 2016. № 1. С. 341-343.

20. Жмуров Б.В., Давидов А.О. Расчет энергетических характеристик полностью электрического самолета. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2016. № 4. С. 406-412.

21. Левин А. В., Мусин С. М., Харитонов С. А., Ковалев К. Л., Герасин А. А., Халютин С. П. Электрический самолет: концепция и технологии. - Уфа: УГАТУ, 2014. - 388с.

22. Воронович С. А., Жмуров Б. В. Тенденции развития электроэнергетических систем беспилотных летательных аппаратов. Интеграл. 2010. № 2. С. 8 - 11.

23. Халютин С. П., Харьков В. П., Левин А. В., Жмуров Б. В., Богданов А. А. Электрификация самолетов. Современное состояние и тенденции Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2014. № 1. С. 555 - 558.

24. Жмуров Б. В., Халютин С. П. Структурно - функциональное моделирование электроэнергетических систем самолета. Проблемы безопасности полетов. 2009. № 6. с. 45 - 53.

25. Жмуров Б. В., Халютин С. П., Корнилов С. В. Развитие структурнофункци-онального моделирования электроэнергетических систем самолета. Проблемы безопасности полетов. 2009. № 8. С. 53 - 62.

26. Халютин С. П., Халютина О. С. Новые возможности самолетов на электрической тяге. Труды международного симпозиума «Надежность и качество», 2017. Том 2. С. 291 - 294.

27. James D. Heidmann. NASA Investments in Hybrid-Electric Technologies for Large Commercial Aircraft. 2015. E&HA.

28. Malkin P. Multi-megawatt power systems for aircraft propulsion. 2016. E&HA.

29. Husband M. Bringing the technology gap for hybrid-electric. 2016. E&HA.

30. Jakovsky A. Building blocks for transport class hybrid and turboelectric vehicles. 2016. E&HA.

31. Benzakein M.J. Electric propulsion: challenges and opportunities. 2016. E&HA.

32. Stromayer A. Aircraft design for hybrid-electric flight.

33. Бедина Н. В. Диагностика авиационного оборудования. Обзор современных методов. // Электроника Сибири. Журнал для молодежи, 2007, № 2. С. 31 -34.

34. Кейко А.В. Становление прогнозных технологических исследований в энергетике // Системные исследования в энергетике. Ретроспектива научных направлений СЭИ-ИСЭМ. - Новосибирск: Наука, 2010. - С. 127 - 146.

35. Грузков С.А., Морозов В.А., Нагайцев В.И., Останин С.Ю., Румянцев М.Ю., Соломин А.Н., Тарасов В.Н., Тыричев П.А. Электрооборудование летательных аппаратов. Т. 2 Элементы и системы электрооборудования - приемники электрической энергии. М.: Издательство МЭИ, 2008. - 552с.: ил.

36. Бессонов И. О. Синтез контура регулирования тока для понижающего DC/DC преобразователя / Бессонов И. О.: науч. рук. Харитонов С. А. // Наука. Технологии. Инновации: сб. науч. тр.: в 9 ч., Новосибирск, 1 - 5 дек. 2015 г. - Новосибирск: Изд - во НГТУ, 2015. - Ч. 6. - С. 5 - 7. - 40 экз. -ISBN 978 - 5 - 7782 - 2766 - 8, 978 - 5 - 7782 - 9.

37. A. J. Mitcham, J. A. Cullen Permanent Magnet Generator Options for the More Electric Aircraft // 2002 International Conference om Power Electronics, Machines, and Drives. - Publ. No. 487. - 4 - 7 June 2002. - pp. 241 - 245.

38. M. E. Elbuluk M. D. Kankam Potential Starter / Generator Technologies for Future Aerospace Application // IEEE AES Systems Magazine. - Oct.1996, pp. 16 -24.

39. Makarov D. V., Khlebnikov A. S., Geist A. V., Bachurin P. F. Generation system with variable frequency and constant amplitude / Energetics (IYCE), Proceeding of the 2011 3rd International Youth Conference on, 7 - 9 July 2011. - vol., no. - pp. 1 - 9.

40. А. В. Сапсалев, А. С. Харитонов, Н. П. Савин, О. Б. Давыденко, Е. Г. Касаткина. Стартерный режим работы трёхкаскадного бесконтактного генератора // Инновационные, информационные и коммуникационные технологии (ИН-ФО-2019): сб. тр. 16 междунар. науч.-практ. конф., Сочи, 1-10 окт. 2019 г. -Москва: Ассоц. выпускников и сотр. ВВИА им. проф. Жуковского, 2019. - С. 11-15. - 500 экз. - ISBN ISSN 2500-1248.

41. M. A. Zharkov, S. A. Kharitonov, A. V. Sapsalev, A. S. Kharitonov. Starting mode of three-stage brushless generator operation // 17 International Ural conference on AC Electric Drives (ACED): proc. Ekaterinburg, 26-30 March 2018. -USA: IEEE, 2018. - 4 p. - ISBN 978-1-5386-2422-7. - Работа выполнена: при поддержке РФФИ.

42. С. А. Харитонов, М. А. Жарков, А. С. Харитонов [и др.]. Стартер-генераторная система для вспомогательной силовой установки // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2017. - Т. 20, № 5. - С. 50-66. - DOI: 10.26467/2079-0619-201720-5-50-66. - Работа выполнена: Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России, соглашение № 14.577.21.0198.

43. Makarov D. V., Kharitonov S. A., Makarova E. A. Generation system of electric energy of "variable speed - variable frequency - constant amplitude" type / Micro

/ Nanotechnologies and Electro Devices (EDM), 2010 International Conference and Seminar on, June 30 2010 - July 4 2010. - vol., no. - pp. 464 - 469.

44. Харитонов С. А., А. С. Харитонов, П. А. Бачурин // Анализ процессов в системе электроснабжения типа "Синхронный генератор с постоянными магнитами - активный выпрямитель" / Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н. Е. Жуковского: сб. докл. по материалы 15 Всерос. науч. - техн. конф. - Москва: Изд. дом академии им. Н. Е. Жуковского, 2018. - № 6. - С. 433-44214.

45. Грузков С.А., Морозов В.А., Нагайцев В.И., Останин С.Ю., Румянцев М.Ю., Соломин А.Н., Тарасов В.Н., Тыричев П.А. Электрооборудование летательных аппаратов. Т. 1 Системы электроснабжения летательных аппаратов. М.: Издательство МЭИ, 2005. - 568с.: ил.

46. С. А. Харитонов, А. С. Харитонов, П. А. Бачурин, С. П. Халютин. Анализ электромагнитных процессов в системе генерирования постоянного тока на базе магнитоэлектрического генератора и активного выпрямителя // Электропитание. - 2017. - № 4. - С. 4-10.

47. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем / Под ред. Л. А. Жукова. - М., Энергия, 1979. - 456 с., ил.

48. Д. Л. Калужский, А. С. Харитонов, В. Ю. Суров. Синхронные машины с комбинированным возбуждением. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н. Е. Жуковского. 2016. № 4 - 2. С. 230 - 239.

49. Харитонов С.А. Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов. Монография. // Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 536 с.

50. Д. В. Коробков, А. С. Харитонов, М. А. Жарков, С. А. Харитонов, Д. Л. Калужский [и др.]. Стартер-генераторная система постоянного тока. Имитационная модель и результаты математического эксперимента (часть 1 - Генераторный режим) // Электропитание. - 2017. - № 3. - С. 30-45. - Работа выполнена: Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям

развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение о предоставлении субсидии N 14.577.21.0198, уникальный идентификатор ПНИЭР - RFMEFI57715X0198).

51. S.A. Kharitonov, An Analytical Analysis of a Wind Power Generation System Included Synchronous Generator with Permanents Magnets, active rectifier and Voltage Source Inverter. Wind Power. Pp. 23-72, ISBN 978-953-7619-81-7. Editor by S.V. Muyeen, 2010 Intech, First published June 2010, printed in India, p. 558.

52. Харитонов С. А. Методики электромагнитного анализа в многоуровневых преобразователях в составе активных силовых фильтров: материалы регион. науч.-техн. семинара, Новосибирск, 9 дек. 2016 г. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016. - С. 51-60. - 70 экз. - ISBN 978-5-7782-3126-9.

53. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей - Новосибирск: Изд-во НГУ, 1990. - 220 с.

54. Дунаевский С.Я., Крылов O.A., Мазия Л.В. Моделирование элементов электромеханических систем. М. - Л., изд-во «Энергия», 1966, 304 с. с илл.

55. Н. И. Бородин, Д. В. Коробков, А. В. Левин, Э. Я. Лившиц, М. А. Маслов, А. С. Харитонов, С. А. Харитонов, М. М. Юхнин. Результаты разработки и испытаний системы генерирования электрической энергии на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и инвертора напряжения. // Техническая электродинамика. Темат. вип. Силовая электроника и энергоэффективность. - Киев, 2007. - Ч.1. - С.15-18.

56. Колесников А.А. Синергетические методы управления сложными системами. Энергетические системы. - М.: КомКнига, 2006. - 248 с.

57. Золотухин Ю. Н., Нестеров А. А., Филиппов М. Н. Оптимизация режимов работы аккумуляторных батарей в составе интеллектуальной электроэнергетической системы. // XIV Международная конференция «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (г. Самара, Россия, 19-22 июня 2012). Труды конференции. Самарский научный центр РАН, 2012. С. 449451.

58. S. A. Kharitonov, A. S. Kharitonov, P. A. Bachurin. Evaluation of electrical parameters in the system 'synchronous generator with permanent magnets-Active rectifier' // The 19 international conference of young specialists on mi-cro/nanotechnologies and electron devices, EDM 2018: proc., Erlagol, Altai, 29 June - 3 July 2018. - IEEE Computer Society, 2018. - P. 593-597. - ISBN 978153865021-9. - DOI: 10.1109/EDM.2018.8435097.

59. S. A. Kharitonov, A. S. Kharitonov, D. L. Kaluzhskij, S. V. Vorobyeva. Analytical research of electromagnetic processes in direct current starter-generator system «Synchronous generator with combined excitation - active rectifier» (generation mode), // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2018): тр. 14 междунар. науч.-техн. конф., Новосибирск, 2-6 окт. 2018 г.: в 8 т. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. - Т. 1, ч. 6. - С. 13-20. - ISBN (NSTU) 978-5-7782-3614-1. - DOI: 10.1109/APEIE.2018.8545947.

60. Корн Г. Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - М. - Наука, 1974. - 832 с.

61. Po-ngam, S.; Sangwongwanich, S., "Stability and Dynamic Performance Improvement of Adaptive Full-Order Observers for Sensorless PMSM Drive," IEEE Trans. Power. Electr., vol. 27, pp. 588 - 600, Feb. 2012.

62. Hongryel Kim; Jubum Son; Jangmyung Le., "A High-Speed Sliding-Mode Observer for the Sensorless Speed Control of a PMSM," IEEE Trans. Ind. Electr., vol. 58, pp. 4069 - 4077, Sep. 2011.

63. Smidl, V.; Peroutka, Z., "Advantages of Square-Root Extended Kalman Filter for Sensorless Control of AC Drives," IEEE Trans. Ind. Electr., vol. 59, pp. 4189 -4196, Nov. 2012.

64. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. - М.: ВШ, 1967, С. 527.

65. С. А. Харитонов, Н. И. Бородин, А. А. Стенников, М. А. Маслов, Д. В. Коробков, А. С. Харитонов, А. В. Левин, М. М. Юхнин, Э. Я. Лившиц. Алгоритмы управления и электромагнитные процессы в системе генерирования переменного тока с синхронным генератором и активным выпрямителем //

Техническая электродинамика. Темат. вип. Силовая электроника и энергоэффективность-Киев, 2004. -Ч.2-С.47-54.

66. Математическое моделирование системы генерирования электрической энергии переменной частоты с параллельно - последовательным преобразователем / П. А. Бачурин, А. В. Гейст, Д. В. Коробков, Д. В. Макаров, А. Н. Решетников, С. А. Харитонов, С. Ф. Коняхин, И. И. Алексеев, М. М. Юхнин // Техническая электродинамика. Тематический выпуск. Силовая электроника и энергоэффективность. Часть 1. - Киев 2012. - С. 150 - 155.

67. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: Изд - во УРО РАН, 2000. - 654 с.

68. Шрейнер Р. Т., Ефимов А.А. Активный фильтр как новый элемент энергосберегающих систем электропривода // Электричество. 2000. № 3. - С. 46 - 54.

69. Коробков Д. В. Стабилизация выходного напряжения синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов / Д. В. Коробков, Д. В. Макаров, С. А. Харитонов // Техническая электродинамика. Тематический выпуск. Силовая электроника и энергоэффективность. Часть 1. - Киев, 2012. - С.5 -11.

70. Neal Clements, Giri Venkataramanan, T.M. Jahns Design Considerations for a Stator Side Voltage Regulated Permanent Magnet AC Generator // Energy Conversion Congress and Exposition, 2009. ECCE. - pp. 2763-2770.

71. Kessler C. Das symmetrische Optimum. - Regelungstechnik, 1958, № 11, S. 396 - 400.

72. Чиликин М. Г., Бычков В. П., Камышлов В. Г., Полещук В. И., Масленников А. Р. Системы управления электроприводами постоянного тока с последовательной коррекцией. «Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок», ГПИ «Тяжпромэлектропроект», 1967, № 11.

73. Ямпольский Д. С., Решмин Б. И., Авраамов В. А., Орлова Т. А., Страмоусо-ва Т. Н. Переходные процессы в двухконтурной системе подчиненного регулирования с пропорционально - интегральным регулятором скорости. «Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок», ГПИ «Тяжпромэлектропроект», 1967, № 11.

74. Ямпольский Д. С., Решмин Б. И., Орлова Т. А. Переходные процессы в двухконтурной системе подчиненного регулирования с пропорциональным регулятором скорости. - «Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок», ГПИ «Тяжпромэлектропроект», 1967, № 6.

75. Фишбейн В. Г. Расчет систем подчиненного регулирования вентильного электропривода постоянного тока. М., «Энергия», 1972.

76. Слежановский О. В., Дацковский Л. Х., Кузнецов И. С. и др. Системы подчиненного регулирования переменного тока с вентильными преобразователями - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с., ил.

77. Вейнгер А. М. Подчиненное регулирование для частотного электропривода с синхронным двигателем. - Электротехническая промышленность. Электропривод, 1974, № 9 (35), с. 7 - 10.

78. Шрейнер Р. Т., Ефимов А. А., Зиновьев Г. С. Вектроная система регулирования активного выпрямителя напряжения // Электротехнические системы и комплексы: Межвусзовский сборник научных трудов. Вып. 6 / Под ред. А. С. Сарварова, К. Э. Одинцова. - Магнитогорск МГТУ, 2001. - С. 157 - 162.

Приложение А

Документы о внедрении результатов диссертационной работы

УТВЕРЖДАЮ Директор по исследованиям, разработкам \ коммерциали *' ЬТИ. д-р техн. наук

и

УТВЕРЖДАЮ Проректор 11ГТУ по научной работе.

д-р техн. наук, профессор

о RH ел ренин результатов диссертационной работы Харитонова A.C.

Мы нижеподписавшиеся, ведущий инженер НТЦ Автономной энергетики МФТИ Волков А. I". и заместитель директора Института Силовой Электроники НГТУ Штейн Д.А. подписали настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Харитонова A.C. на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему «Система электроснабжения постоянного тока для летательных аппаратов» использованы при проведении НИОКР но разработке и изготовлению конструктивных образцов инверторов напряжения для автономных энергетических систем.

В рамках реализации проекта Харитоновым A.C. предложены и реализованы алгоритмы управления инвертором напряжения, обеспечивающие минимизацию потребления от источника энергии неактивной мощности, а также реализацию концепции «виртуальной электрической машины».

Харитонов A.C. принимал активное участие в разработке конструкции, настройке и испытаниях инвертора напряжения в различных режимах.

Предложенные алгоритмы при работе в системе электроснабжения на основе инвертора напряжения позволили обеспечить выполнение требований ГОСТ 32144-2013 но качеству электроэнергии.

Достоверность принятых решений подтверждена приемо-сдаточными испытаниями.

Ведущий инженер НТЦ Автономной Зам. директора Института Силовой

энергетики МФТИ, канд. техн. наук Электроники 11ГТУ

А. Г. Волков

Уср Д. А. Штейн «■3J » ммл_2021 г.

ш

« ^З-» ^yiü^jt._2021 г.